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[번역 컬럼] 에스프레소 머신의 PID 맹신론에 관하여 - Doubling Down on PIDs

2020-07-24


원문출처 https://coffeetechniciansguild.org/blog/...wn-on-pids


에스프레소 머신의 PID 맹신론에 관하여

 - Doubling Down on PIDs -


온도를 제어하는 것은 일관된 결과에 매우 중요하며, 우리는 그동안 우리가 원하는 정확한 정도에 집착해 왔습니다. 수십년 동안 기계는 증기 압력에 의해 제어되었으며 온도와 압력 변동 사이의 관계는 밀접한 관련이 있어 압력 조절만으로도 안정적이었지만, 압력 스위치의 지연 시간은 몇 도 정도의 편차를 발생시켰습니다. 에스프레소 머신들의 기계적 설계는 그러한 영향의 일부를 최소화하려고 했지만 커피에 대한 분쇄, 압력, 흐름 및 온도의 영향을 고려하여 개선하기 위해서는 모든 계산에서 더 정밀해야했습니다.


출처 :  https://home.lamarzoccousa.com/history-of-the-pid


기계식 온도 스위치가있는 다중 보일러 시스템에서도 레이턴시(신호 지연-온도 센싱과 적용의 시간적 간극-역자주) 문제가 존재했습니다. 두 개의 좁은 온도 세팅(고점, 저점) 지점 사이에서 작동하여 그저 온-오프 기능만 수행했습니다.  PID (Proportional Integral Derivative) 컨트롤러는 좁은 세팅 대역 없이 온도를 제어하려고 합니다. 적절하게 튜닝된 PID 컨트롤러는 수학 알고리즘과 메모리를 사용하여 온도를 10분의 1도 이내로 조절합니다.


PID가 실제로 머신에서 하는 역할


PID 컨트롤러의 작동 방식을 이해하려면 PID가 해결하고자 하는 일부 문제를 먼저 해결해야합니다. 에스프레소 히터는 크기가 서로 다르고 표면적도 다르며 각기 다른 속도로 보일러에 열을 가합니다. 이는 공급 전력에 반응하는 형태와 세팅 온도의 히스테리시스(여기에서는 추출수 최종 세팅 온도가 "가열되는 과정에 의존하는 현상"을 일컬음 - 역자주)정도에 영향을 줍니다. 저전력 히터는 복구 속도가 느린 반면 고 출력 히터는 목표온도에 오버 슈팅 이슈를 야기할 수 있습니다. 레이턴시 탓에 2도 정도의 데드 밴드(이 영역은 오차 범위로 보고 무시되어, 별다른 로직이 동작하지 않는 구간-역자주-)로 시작하는 것 조차 더욱 악화됩니다.


PID 컨트롤러가 하는 첫 번째 마법은 본질적으로 고정 전력 가열 히터를 가변 히터처럼 변환하는 것입니다. 이 장치는 무접점 릴레이(SSR)를 통해 전력을 펄싱함으로써 가열을 위한 풀 히팅 능력을 제공하는 동시에 오버슈팅을 줄이기 위해 목표 온도에 접근 할 때 다시 출력을 낮춰 스로틀링 할 수 있습니다. 이것이 PID 컨트롤러 중 비례(P) 부분입니다.


컨트롤러는 센서의 실제 온도를 샘플링하여 목표온도와 비교합니다. 이 두 온도간의 차이점은 머신 입장에서는 없애거나 줄여야 하는 오차이며, 일종의 “오류”입니다.  얼마나 이 오류를 적극적으로 수정하는가?는 바로 프로그램(소프트웨어)이 개입하는 부분입니다. 너무 강력히 보정하려는 경우 표준 기계식 컨트롤러와 같은 형태로 되려 온도가 오버 슈팅 될 수 있습니다. 너무 소극적으로 대응하는 로직이라면, 추출 온도가 원하는 만큼 빨리 회복되지 못합니다.


이는 PID 중 비례 소프트웨어(P)는 보일러 내부의 추출수 표본 온도와 목표 온도 오차를 백분율로 환산하여 전력량만을 적용하기 때문에 절대로 실제 오차 자체를 제거하지는 못합니다. 컨트롤러의 비례 프로그래밍이 작동하려면 목표 온도와 샘플(센서 온도) 사이에 차이가 있어야합니다. 목표 온도에 접근하는 데에는 효과적이지만 비례 제어는 머신이 목표 온도를 정확히 달성하도록 설계되지는 않았습니다.


이를 위해 PID 컨트롤러 중 적분 (I) 부분이 사용됩니다. 컨트롤러는 실제로 비례 프로그램(P)이 목표에 도달한 방법과 오차에 어떻게 반응하는지 살펴봅니다. 이 데이터를 사용하여 온도 목표에 보다 정확하게 도달하는데 필요한 전력을 정확히 계산하여 컨트롤러가 본질적으로 온도 오차를 무시하고 설정 온도로 도달하도록 합니다. 컨트롤러가 온도 오차를 발견하면 비례 프로그램을 사용하여 대략적으로 온도를 복구하고 유사 목표온도에 도달하면 적분(Integral) 프로그램이 정확성을 높이고 오차를 0으로 만들게끔 유도합니다.


이 모든 수학적 접근에도 불구하고 문제가 있습니다. 적분(Integral) 프로그램은 비례 프로그래밍(P)이 실제로 목표 온도를 달성하게끔 노력하는 것 만큼 실제 오차를 제거하려 노력하지는 않기 때문에 적분(Integral) 프로그램은 목표 온도를 초과하는 경향이 있습니다.


PID 제어 컨트롤러의 마지막 부분은 미분(D) 기능으로, 이 오버슈팅을 줄이기 위해 미분 프로그램은 적분(Integral) 프로그램의 수정 조치를 느리게 합니다. 이같은 세가지 요소가 올바르게 설정되면 PID 컨트롤러가 추출수 온도를 설정 온도에 정확하게 도달하게 하고, 유지하기 위해 히터에 전력을 세밀하게 펄싱하여 제어합니다.


대부분의 컨트롤러는 머신의 온도 특성 학습 단계에서 이러한 설정을 자체적으로 프로그래밍 할 수 있지만 펄스의 지속 시간 및 타이밍과 같은 파라미터를 재정의하여 결과 값을 조정할 수 있습니다.(실제로 공장에서는 PID 세팅을 머신에 따라 고유값을 자동화시켜 프로그래밍해둡니다. 하지만, 사용자가 이들을 P,I,D 요소별로 수정할 수 있습니다.-역주-)



주의사항 


이제 PID 컨트롤러는 모든 것을 해결했고, 이제 추출수 온도가 안정적입니다. 어떻게 이게 잘못 될 수 있을까요?

에스프레소 머신은 서로 다른 질량, 표면적, 열 억제 및 전도성 물질과 물이 혼재된 수많은 복잡한 부속들로 만들어진 장비로 열 전달에 대해서 만큼은 정말 말하기도 싫을 만큼 복잡합니다. 만약 당신이 머신의 십수개의 서로 다른 위치에서 온도를 측정한다면, 전부다 다른 온도 측정 결과를 얻게 될 겁니다. PID 컨트롤러는 그룹 헤드, 포터 필터, 보일러 또는 히터가 아닌 센서의 온도만을 제어하도록 설계 되었습니다. 추출수의 출구에 가까울수록 열원에서는 멀어지기 때문에 센서 배치가 까다롭습니다. 보일러에 유입되는 직수(냉수에 가까운)로 인해 발생하는 냉각효과에 대한 센서의 감지가 늦어 이에 반응을 하기엔 너무 늦을 때도 있습니다.


이것은 에스프레소 머신에 대한 온도 정밀도의 환상이 개입되는 부분이기도 합니다. 바로 이것이 오프셋(Off-Set)입니다. 컨트롤러가 그룹 헤드의 추출수의 토출부가 아닌 보일러 내부의 센서의 온도를 측정하고 있기 때문에 오프셋은 센서의 측정 값과 그룹 배출부의 온도가 기계의 물리적 설계에 따라 달라지는 차이를 계산한 것입니다. 사실 이러한 에스프레소 머신의 물리적 설계 디자인은 전통적인 구식 기계에서 사용되는 것과 동일하지만, 보다 정확한 제어로 온도 변동을 완화합니다.

센서 온도가 토출구 온도를 나타내지 않을 수 있기 때문에 프로그램은 표시된 온도가 실제로 추출되는 온도라고 생각하도록 사용자를 속이게끔 세팅됩니다. 약간의 희뿌연 연기와 거울들인 셈이죠. 아주 제대로 설정하면 거의 유사한 온도를 얻을 수 있지만, 여전히 "터무니 없는 형태의 안정성"인 셈이고 사실 여러분이 생각하는 것과는 다르죠.


PID 컨트롤러의 두 번째 문제는 온도를 유지하는 데 능동적으로 작동하지만 비정상적인 변동에 반응하도록 설계되지는 않았다는 것입니다. 에스프레소를 한번도 추출하지 않으면 PID 제어는 완벽합니다. 에스프레소 머신의 추출 부하가 연속 사용과 장시간 휴지기 사이 등의 상황에서 크게 변동함함에도 PID 컨트롤러는 여전히 동일한 프로그램을 사용합니다. 예상치 못한 추출 부하에 반응하는 능력은 없으며 하나의 추출수 온도 유지 시나리오를 제어하기 위해 만들어진 수학적 프로그램은 다른 시나리오에는 별 쓸모가 없습니다.


PID 컨트롤러가 할 수 없는 세 번째 일은 온도 프로파일링입니다. 그들은 실제로 목표 온도를 유지하는데에는 능숙한편이지만, 에스프레소를 완벽하게 추출하는 것이 특정 온도에서 추출을 시작하고 추출 중에 그것을 줄이는 것을 의미한다면 PID는 혼란스러워 할 것입니다. 프로그래밍이나 디자인을 통해 머신 시스템에 약간의 지연시간을 프로그래밍 하더라도 프로파일은 추출수의 추출 흐름에 따라 다릅니다. 싱글 샷(하나님은 싱글을 원하지 않으셨습니다-아담과 이브에 대한 농담- 역자주), 더블 샷 및 더 긴 추출은 서로 다른 프로파일링 Rate를 가지며 PID는이를 처리 할 수 없습니다.


그리고 만약 샷과 샷 사이에 플러싱을 진행한다면(때로는 권장되지 않음) PID 컨트롤러는 사용자가 무엇을 하고 있는지 전혀 인지하지 못합니다. 온도를 실제로 제어하려면 기계와 온도 컨트롤러가 함께 작동하여 정확한 요구 온도를 사전에 예측하고 여러 온도 제어 프로파일을 사용하여 정확성을 보장해야합니다. 샷을 컨트롤러에 통합하여 샷을 어느정도 프로파일 링 할 수도 있겠지요.


※ 원문 출처 :  https://coffeetechniciansguild.org/blog/doubling-down-on-pids


역자 코멘트

실제로 어떻게 하는것이 좋은가?에 대한 의견이 분분할 수 있습니다. 가장 권장할만한 방법은 실제로 서로 다른 유량 상태에서 실제 추출 온도들에 대한 측정을 해보는 것입니다. 

제가 측정했던 여러 데이터 중 실제 커피 퍽 온도를 재는 툴 등으로 머신의 온도를 실측해보아야 내가 사용하는 실제 머신의 온도 특성을 이해할 수 있으며, 기본 유량, 유속 등을 항상 체크하며 머신의 온도 제어가 정확한지 혹은 다른 변수는 없는지에 대해 고민해보아야 하고 측정해보아야 합니다. 

대부분 프래그쉽 머신이라 하더라도 오프셋은 존재하며, 대부분 엔지니어들의 손에서 컨트롤 되며 일반 바리스타들은 그 존재를 알지도 못하는 경우가 많습니다. 하지만 이러한 글을 통해서 실제 에스프레소 추출 가운데 머신을 맹신하는 분위기에서 바리스타의 머신 이해를 중시하는 분위기로 발전되길 희망해봅니다.  


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댓글 5

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푸르른하늘

2020-07-24 15:40  #1303980

B.STARTER

좋은 글 감사합니다.

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mazarinewhale

2020-07-25 00:24  #1304306

B.STARTER

자동화가 빠르게 진행되는 시점속에서 사람의 생각과 손이 필요한 부분이 계속해서 존재할수 있다는 점에 감사하네요.

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샤쿠레라이터

2020-07-25 13:12  #1304590

B.STARTER

저는 무신론자인지라 완벽한 싱글샷을 원합니다ㅋㅋㅋ

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HwangKiHoon

2020-07-26 18:57  #1305372

B.STARTER

각 머신마다 최적화된 시나리오에 따른 PID 세팅이 있고, 세팅에 따른 유량, 외부온습도등도 비슷해야한다거나 항상 일정하고 유지되어야겠네요. PID 콘트롤러가 달린 머신이 몇 없었던거 같은데, 실제로 안정적인 온도란 다른 변수도 안정적이여야 한다는 거군요..흠 이건  안정적인..맛이야..

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쿠버러

2020-11-23 02:31  #1400091

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